Badania wpływu dodatkowego światła LED na wzrost plonowania sałaty hydroponicznej i Pakchoi w szklarni zimą
[Abstrakt] Zimą w Szanghaju często występują niskie temperatury i słabe nasłonecznienie, a wzrost hydroponicznych warzyw liściastych w szklarni jest powolny, a cykl produkcyjny długi, co nie jest w stanie zaspokoić zapotrzebowania rynku.W ostatnich latach w uprawach szklarniowych i produkcji szklarniowej zaczęto do pewnego stopnia stosować dodatkowe oświetlenie roślin LED, aby zrekompensować wadę polegającą na tym, że dzienne światło skumulowane w szklarni nie może zaspokoić potrzeb wzrostu roślin, gdy światło naturalne jest niewystarczający.W eksperymencie w szklarni zainstalowano dwa rodzaje dodatkowych świateł LED o różnej jakości światła w celu przeprowadzenia eksperymentu eksploracyjnego polegającego na zwiększeniu produkcji sałaty hydroponicznej i zielonej łodygi w okresie zimowym.Wyniki pokazały, że dwa rodzaje świateł LED mogą znacznie zwiększyć świeżą masę z rośliny pakchoi i sałaty.Plonotwórcze działanie pakchoi przejawia się głównie w poprawie ogólnej jakości sensorycznej, takiej jak powiększenie i pogrubienie liści, a plonotwórcze działanie sałaty przejawia się głównie we wzroście liczby liści i zawartości suchej masy.

Światło jest nieodzowną częścią wzrostu roślin.W ostatnich latach światła LED były szeroko stosowane w uprawach i produkcji w środowisku szklarniowym ze względu na wysoki współczynnik konwersji fotoelektrycznej, dostosowywalne widmo i długą żywotność [1].W innych krajach, ze względu na wczesne rozpoczęcie powiązanych badań i dojrzały system wsparcia, wiele produkcji kwiatów, owoców i warzyw na dużą skalę ma stosunkowo kompletne strategie dotyczące lekkich suplementów.Gromadzenie dużej ilości rzeczywistych danych produkcyjnych pozwala również producentom jednoznacznie przewidzieć efekt zwiększenia produkcji.Jednocześnie ocenia się zwrot po zastosowaniu systemu oświetlenia uzupełniającego LED [2].Jednak większość obecnych krajowych badań nad dodatkowym światłem jest ukierunkowana na jakość światła na małą skalę i optymalizację widmową oraz brakuje w nich strategii dodatkowego światła, które można by zastosować w rzeczywistej produkcji[3].Wielu krajowych producentów będzie bezpośrednio wykorzystywało istniejące zagraniczne rozwiązania oświetlenia dodatkowego przy stosowaniu technologii oświetlenia uzupełniającego do produkcji, niezależnie od warunków klimatycznych obszaru produkcji, rodzaju produkowanych warzyw oraz stanu obiektów i wyposażenia.Ponadto wysoki koszt dodatkowego sprzętu oświetleniowego i wysokie zużycie energii często powodują ogromną rozbieżność między rzeczywistym plonem a zwrotem ekonomicznym i oczekiwanym efektem.Taka obecna sytuacja nie sprzyja rozwojowi i promocji technologii uzupełniania światła i zwiększaniu produkcji w kraju.Dlatego istnieje pilna potrzeba rozsądnego wprowadzenia dojrzałych dodatkowych produktów oświetleniowych LED do rzeczywistych domowych środowisk produkcyjnych, optymalizacji strategii użytkowania i gromadzenia odpowiednich danych.

Zima to pora roku, kiedy świeże warzywa liściaste są bardzo poszukiwane.Szklarnie mogą zapewnić bardziej odpowiednie środowisko do wzrostu warzyw liściastych w zimie niż pola uprawne pod gołym niebem.Jednak w artykule zwrócono uwagę, że niektóre starzejące się lub źle oczyszczone szklarnie mają przepuszczalność światła poniżej 50% w zimie. Ponadto w zimie często występują długotrwałe deszcze, co powoduje, że szklarnia jest nisko- temperatura i słabe oświetlenie, co wpływa na normalny wzrost roślin.Światło stało się czynnikiem ograniczającym wzrost warzyw w okresie zimowym [4].W eksperymencie wykorzystano zieloną kostkę, która została wprowadzona do rzeczywistej produkcji.System sadzenia warzyw liściastych z płytkim przepływem cieczy jest dopasowany do dwóch modułów oświetlenia górnego LED firmy Signify (China) Investment Co., Ltd. o różnych współczynnikach światła niebieskiego.Sadzenie sałaty i pakchoi, dwóch warzyw liściastych cieszących się większym popytem na rynku, ma na celu zbadanie rzeczywistego wzrostu produkcji hydroponicznych warzyw liściastych dzięki oświetleniu LED w szklarni zimowej.

Materiały i metody
Materiały użyte do testu

Materiałem badawczym użytym w doświadczeniu była sałata i warzywa packchoi.Odmiana sałaty, Green Leaf Lettuce, pochodzi z Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., a odmiana pakchoi, Brilliant Green, pochodzi z Instytutu Ogrodnictwa Akademii Nauk Rolniczych w Szanghaju.

Metoda eksperymentalna

Eksperyment przeprowadzono w szklanej szklarni typu Wenluo w bazie Sunqiao firmy Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd. od listopada 2019 r. do lutego 2020 r. Przeprowadzono łącznie dwie rundy powtarzanych eksperymentów.Pierwsza tura doświadczenia odbyła się pod koniec 2019 r., a druga na początku 2020 r. Po wysianiu materiał doświadczalny umieszczono w pomieszczeniu klimatycznym ze sztucznym oświetleniem do hodowli sadzonek i zastosowano nawadnianie pływowe.W okresie wzrostu rozsady do nawadniania zastosowano pożywkę ogólną warzyw hydroponicznych o EC 1,5 i pH 5,5.Po tym, jak sadzonki osiągnęły 3 liście i 1 stadium serca, posadzono je na podłożu do sadzenia warzyw liściastych typu green cube typu płytki przepływ.Po posadzeniu system cyrkulacji pożywki o płytkim przepływie wykorzystywał pożywkę EC 2 i pH 6 do codziennego nawadniania.Częstotliwość nawadniania wynosiła 10 min przy dopływie wody i 20 min przy wstrzymaniu dopływu wody.W eksperymencie ustawiono grupę kontrolną (bez dodatku światła) i grupę leczoną (dodatek światła LED).CK posadzono w szklanej szklarni bez dodatku światła.LB: drw-lb Ho (200W) zastosowano do doświetlenia po posadzeniu w szklanej szklarni.Gęstość strumienia świetlnego (PPFD) na powierzchni czaszy roślin hydroponicznych wynosiła około 140 μmol/(㎡·S).MB: po posadzeniu w szklanej szklarni do uzupełnienia światła użyto drw-lb (200W), a PPFD wynosiło około 140 μmol/(㎡·S).

Pierwsza runda eksperymentalnego sadzenia to 8 listopada 2019 r., a data sadzenia to 25 listopada 2019 r. Czas uzupełnienia światła dla grupy testowej to 6:30-17:00;termin drugiego sadzenia sadzenia doświadczalnego to 30 grudnia 2019 r., termin sadzenia to 17 stycznia 2020 r., a uzupełnienie grupy eksperymentalnej to 4:00-17:00
W słoneczną pogodę zimą szklarnia otworzy szyberdach, folię boczną i wentylator do codziennej wentylacji w godzinach 6:00-17:00.Gdy temperatura w nocy jest niska, szklarnia zamknie świetlik, folię boczną i wentylator o godzinie 17:00-6:00 (następnego dnia) i otworzy kurtynę termoizolacyjną w szklarni, aby zachować ciepło w nocy.

Gromadzenie danych

Wysokość roślin, liczbę liści i świeżą masę z rośliny określono po zbiorze części nadziemnych Qingjingcai i sałaty.Po zmierzeniu świeżej masy umieszczono ją w piecu i suszono w temperaturze 75℃ przez 72 godziny.Po zakończeniu określono suchą masę.Temperatura w szklarni i fotosyntetyczna gęstość strumienia fotonów (PPFD, fotosyntetyczna gęstość strumienia fotonów) są zbierane i rejestrowane co 5 minut przez czujnik temperatury (RS-GZ-N01-2) i fotosyntetycznie aktywny czujnik promieniowania (GLZ-CG).

Analiza danych

Oblicz efektywność wykorzystania światła (LUE, Light Use Efficiency) według następującego wzoru:
LUE (g/mol) = plon warzyw na jednostkę powierzchni/całkowita skumulowana ilość światła uzyskanego przez warzywa na jednostkę powierzchni od sadzenia do zbioru
Obliczyć zawartość suchej masy według następującego wzoru:
Zawartość suchej masy (%) = sucha masa na roślinę/świeża masa na roślinę x 100%
Użyj programów Excel2016 i IBM SPSS Statistics 20 do analizy danych w eksperymencie i przeanalizuj istotność różnicy.

Materiały i metody
Światło i temperatura

Pierwsza runda doświadczenia trwała 46 dni od sadzenia do zbioru, a druga runda trwała 42 dni od sadzenia do zbioru.Podczas pierwszej rundy doświadczenia średnia dobowa temperatura w szklarni mieściła się przeważnie w przedziale 10-18℃;podczas drugiej rundy doświadczenia fluktuacja średniej dobowej temperatury w szklarni była bardziej dotkliwa niż w pierwszej rundzie doświadczenia, z najniższą średnią dobową temperaturą 8,39 ℃ i najwyższą średnią dobową temperaturą 20,23 ℃.Średnia dobowa temperatura wykazywała ogólny trend wzrostowy podczas procesu wzrostu (ryc. 1).

Podczas pierwszej rundy eksperymentu dzienna całka świetlna (DLI) w szklarni wahała się poniżej 14 mol/(㎡·D).Podczas drugiej rundy eksperymentu dzienna skumulowana ilość naturalnego światła w szklarni wykazywała ogólny trend wzrostowy, który był wyższy niż 8 mol/(㎡·D), a maksymalna wartość pojawiła się 27 lutego 2020 r. i wyniosła 26,1 mol /(㎡·D).Zmiana dziennej skumulowanej ilości światła naturalnego w szklarni podczas drugiej rundy doświadczenia była większa niż w pierwszej rundzie doświadczenia (ryc. 2).Podczas pierwszej rundy eksperymentu, całkowita dzienna skumulowana ilość światła (suma naturalnego światła DLI i dodatkowego światła ledowego DLI) grupy światła dodatkowego była przez większość czasu wyższa niż 8 mol/(㎡·D).Podczas drugiej rundy eksperymentu, całkowita dzienna skumulowana ilość światła z dodatkowej grupy świetlnej wynosiła przez większość czasu ponad 10 mol/(㎡·D).Całkowita skumulowana ilość dodatkowego światła w drugiej rundzie była o 31,75 mol/㎡ większa niż w pierwszej rundzie.

Plon warzyw liściastych i efektywność wykorzystania energii świetlnej

●Pierwsza tura wyników testów
Na ryc. 3 widać, że pakchoi z dodatkiem LED rośnie lepiej, kształt rośliny jest bardziej zwarty, a liście są większe i grubsze niż w przypadku CK bez dodatku.Liście LB i MB pakchoi są jaśniejsze i ciemniejsze niż CK.Na ryc. 4 widać, że sałata z dodatkowym oświetleniem LED rośnie lepiej niż CK bez dodatkowego światła, liczba liści jest większa, a kształt rośliny jest pełniejszy.

Z Tabeli 1 widać, że nie ma znaczącej różnicy w wysokości roślin, liczbie liści, zawartości suchej masy i efektywności wykorzystania energii świetlnej pakchoi traktowanych CK, LB i MB, ale świeża masa pakchoi traktowanych LB i MB wynosi znacznie wyższy niż CK;Nie było znaczącej różnicy w świeżej masie na roślinę między dwoma światłami LED o różnych stosunkach światła niebieskiego w traktowaniu LB i MB.

Z tabeli 2 widać, że wysokość roślin sałaty w przypadku traktowania LB była znacznie wyższa niż w przypadku traktowania CK, ale nie było znaczącej różnicy między traktowaniem LB a traktowaniem MB.Stwierdzono istotne różnice w liczbie liści pomiędzy trzema obiektami, przy czym liczba liści w przypadku MB była największa i wynosiła 27. Świeża masa z rośliny LB była najwyższa i wynosiła 101 g.Istniała również istotna różnica między obiema grupami.Nie było istotnej różnicy w zawartości suchej masy między zabiegami CK i LB.Zawartość MB była o 4,24% wyższa niż w przypadku kuracji CK i LB.Wystąpiły znaczne różnice w efektywności wykorzystania światła pomiędzy trzema zabiegami.Największą efektywność wykorzystania światła uzyskano w przypadku zabiegu LB, który wyniósł 13,23 g/mol, a najniższą w przypadku zabiegu CK, który wyniósł 10,72 g/mol.

●Druga tura wyników testów

Z Tabeli 3 widać, że wysokość rośliny Pakchoi traktowanej MB była znacznie wyższa niż w przypadku CK i nie było znaczącej różnicy między nią a traktowaniem LB.Liczba liści Pakchoi traktowanych LB i MB była znacznie wyższa niż w przypadku CK, ale nie było znaczącej różnicy między dwiema grupami dodatkowych zabiegów świetlnych.Wystąpiły znaczące różnice w świeżej masie na roślinę pomiędzy trzema zabiegami.Świeża masa na roślinę w CK była najniższa i wynosiła 47 g, a traktowanie MB była najwyższa i wynosiła 116 g.Nie było istotnej różnicy w zawartości suchej masy pomiędzy trzema zabiegami.Istnieją znaczne różnice w efektywności wykorzystania energii świetlnej.CK jest niska i wynosi 8,74 g/mol, a leczenie MB jest najwyższe i wynosi 13,64 g/mol.

Z Tabeli 4 widać, że nie było znaczącej różnicy w wysokości roślin sałaty pomiędzy trzema zabiegami.Liczba liści w obiektach LB i MB była istotnie większa niż w CK.Wśród nich liczba liści MB była najwyższa i wynosiła 26. Nie było istotnej różnicy w liczbie liści między zabiegami LB i MB.Świeża masa na roślinę z dwóch grup dodatkowych zabiegów naświetlania była znacznie wyższa niż w przypadku CK, a świeża masa na roślinę była najwyższa w przypadku traktowania MB, która wynosiła 133 g.Istniały również znaczące różnice między zabiegami LB i MB.Stwierdzono istotne różnice w zawartości suchej masy pomiędzy trzema obiektami, przy czym zawartość suchej masy w obiekcie LB była najwyższa i wyniosła 4,05%.Efektywność wykorzystania energii światła w przypadku traktowania MB jest znacznie wyższa niż w przypadku traktowania CK i LB, która wynosi 12,67 g/mol.

Podczas drugiej rundy eksperymentu całkowity DLI grupy światła dodatkowego był znacznie wyższy niż DLI podczas tej samej liczby dni kolonizacji podczas pierwszej rundy eksperymentu (ryc. 1-2), a czas światła dodatkowego światła dodatkowego grupa leczona w drugiej rundzie eksperymentu (4:00-00-17:00).W porównaniu z pierwszą rundą eksperymentu (6:30-17:00) wzrosła o 2,5 godziny.Czas zbiorów z dwóch rund Pakchoi wynosił 35 dni po posadzeniu.Świeża masa pojedynczej rośliny CK w obu rundach była podobna.Różnica w świeżej masie na roślinę w traktowaniu LB i MB w porównaniu z CK w drugiej rundzie eksperymentów była znacznie większa niż różnica w świeżej masie na roślinę w porównaniu z CK w pierwszej rundzie eksperymentów (Tabela 1, Tabela 3).Czas zbioru drugiej rundy eksperymentalnej sałaty wynosił 42 dni po posadzeniu, a czas zbioru pierwszej rundy eksperymentalnej sałaty wynosił 46 dni po posadzeniu.Liczba dni kolonizacji, kiedy zebrano drugą rundę eksperymentalnej sałaty CK, była o 4 dni mniejsza niż w pierwszej rundzie, ale świeża masa na roślinę jest 1,57 razy większa niż w pierwszej rundzie eksperymentów (Tabela 2 i Tabela 4), a efektywność wykorzystania energii świetlnej jest podobna.Można zauważyć, że wraz ze stopniowym ociepleniem temperatury i stopniowym zwiększaniem się naturalnego światła w szklarni cykl produkcyjny sałaty ulega skróceniu.

Materiały i metody
Dwie rundy testów obejmowały w zasadzie całą zimę w Szanghaju, a grupa kontrolna (CK) była w stanie względnie przywrócić rzeczywisty stan produkcji hydroponicznej zielonej łodygi i sałaty w szklarni w niskich temperaturach i słabym nasłonecznieniu zimą.Grupa eksperymentalna z lekkim suplementem miała znaczący wpływ promocyjny na najbardziej intuicyjny indeks danych (świeża masa na roślinę) w dwóch rundach eksperymentów.Wśród nich efekt wzrostu plonu Pakchoi znalazł odzwierciedlenie w wielkości, kolorze i grubości liści w tym samym czasie.Ale sałata ma tendencję do zwiększania liczby liści, a kształt rośliny wygląda na pełniejszy.Wyniki badań pokazują, że lekka suplementacja może poprawić świeżą masę i jakość produktu w sadzeniu dwóch kategorii warzyw, zwiększając tym samym komercyjność produktów warzywnych.Pakchoi uzupełnione przez czerwono-białe, nisko-niebieskie i czerwono-białe, średnio-niebieskie moduły LED górnego światła są ciemniejsze zielone i błyszczące z wyglądu niż liście bez dodatkowego światła, liście są większe i grubsze, a trend wzrostu cały typ rośliny jest bardziej zwarty i energiczny.Jednak „sałata mozaikowa” należy do jasnozielonych warzyw liściastych i nie ma oczywistego procesu zmiany koloru w procesie wzrostu.Zmiana koloru liści nie jest oczywista dla ludzkiego oka.Odpowiednia proporcja światła niebieskiego może sprzyjać rozwojowi liści i syntezie pigmentu fotosyntetycznego oraz hamować wydłużanie międzywęźli.Dlatego warzywa z grupy lekkich suplementów są bardziej preferowane przez konsumentów pod względem jakości wyglądu.

Podczas drugiej rundy testu całkowita dzienna skumulowana ilość światła w grupie światła dodatkowego była znacznie wyższa niż DLI podczas tej samej liczby dni kolonizacji podczas pierwszej rundy eksperymentu (ryc. 1-2), a światło uzupełniające czas drugiej rundy grupy doświetlającej (4:00-17:00), w porównaniu z pierwszą rundą eksperymentu (6:30-17:00), zwiększył się o 2,5 godziny.Czas zbiorów z dwóch rund Pakchoi wynosił 35 dni po posadzeniu.Świeża masa CK w obu rundach była podobna.Różnica w świeżej masie na roślinę między traktowaniem LB i MB i CK w drugiej rundzie eksperymentów była znacznie większa niż różnica w świeżej masie na roślinę z CK w pierwszej rundzie eksperymentów (tabela 1 i tabela 3).Dlatego wydłużenie czasu suplementacji światłem może sprzyjać wzrostowi produkcji hydroponicznej Pakchoi uprawianej zimą w pomieszczeniach.Czas zbioru drugiej rundy eksperymentalnej sałaty wynosił 42 dni po posadzeniu, a czas zbioru pierwszej rundy eksperymentalnej sałaty wynosił 46 dni po posadzeniu.Kiedy zbierano drugą rundę eksperymentalnej sałaty, liczba dni kolonizacji grupy CK była o 4 dni mniejsza niż w pierwszej rundzie.Jednak świeża masa pojedynczej rośliny była 1,57 razy większa niż w pierwszej rundzie eksperymentów (tabela 2 i tabela 4).Efektywność wykorzystania energii świetlnej była podobna.Można zauważyć, że w miarę powolnego wzrostu temperatury i stopniowego zwiększania się naturalnego światła w szklarni (Rys. 1-2) cykl produkcyjny sałaty można odpowiednio skrócić.Dlatego dodanie dodatkowego oświetlenia do szklarni zimą przy niskiej temperaturze i słabym nasłonecznieniu może skutecznie poprawić wydajność produkcji sałaty, a następnie zwiększyć produkcję.W pierwszej rundzie eksperymentu roślina z menu liścia, która uzupełniała zużycie energii na światło, wyniosła 0,95 kw-h, aw drugiej rundzie eksperymentu, roślina z menu liścia, która uzupełniała zużycie energii na światło, wyniosła 1,15 kw-h.W porównaniu z dwiema rundami eksperymentów, zużyciem światła podczas trzech zabiegów Pakchoi, efektywność wykorzystania energii w drugim eksperymencie była niższa niż w pierwszym eksperymencie.Efektywność wykorzystania energii świetlnej grup otrzymujących sałatę z dodatkowym naświetlaniem CK i LB w drugim eksperymencie była nieco niższa niż w pierwszym eksperymencie.Wnioskuje się, że prawdopodobną przyczyną jest to, że niska średnia dzienna temperatura w ciągu tygodnia po posadzeniu wydłuża okres powolnego siewu i chociaż temperatura nieznacznie wzrosła podczas doświadczenia, zakres był ograniczony, a ogólna średnia dzienna temperatura była nadal na niskim poziomie, co ograniczało efektywność wykorzystania energii świetlnej w całym cyklu wzrostu dla hydroponiki warzyw liściastych.(Rysunek 1).

W trakcie doświadczenia basen z pożywką nie był wyposażony w urządzenia grzewcze, dzięki czemu środowisko korzeniowe hydroponicznych warzyw liściastych było zawsze na niskim poziomie temperatur, a średnia dobowa temperatura była ograniczona, co powodowało, że warzywa nie mogły w pełni wykorzystać dobowego światła skumulowanego powiększonego o przedłużenie światła dodatkowego LED.Dlatego przy doświetlaniu szklarni w okresie zimowym należy rozważyć odpowiednie środki zatrzymywania ciepła i ogrzewania, które zapewnią efekt doświetlenia w celu zwiększenia produkcji.Dlatego konieczne jest rozważenie odpowiednich środków zachowania ciepła i podwyższenia temperatury, aby zapewnić efekt doświetlenia i wzrost plonów w szklarni ozimej.Zastosowanie dodatkowego światła LED zwiększy w pewnym stopniu koszty produkcji, a sama produkcja rolnicza nie jest przemysłem wysokowydajnym.W związku z tym, w jaki sposób zoptymalizować strategię oświetlenia dodatkowego i współpracować z innymi środkami w rzeczywistej produkcji hydroponicznych warzyw liściastych w szklarni zimowej oraz jak wykorzystać sprzęt oświetlenia uzupełniającego, aby uzyskać wydajną produkcję i poprawić efektywność wykorzystania energii świetlnej i korzyści ekonomiczne , wymaga jeszcze dalszych eksperymentów produkcyjnych.

Autorzy: Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Źródło artykułu: Technologia inżynierii rolniczej (ogrodnictwo szklarniowe).

Bibliografia:
[1] Jianfeng Dai, praktyka stosowania ogrodniczych diod LED firmy Philips w produkcji szklarniowej [J].Technika rolnicza, 2017, 37 (13): 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin i in.Stan zastosowania i perspektywy technologii lekkiego dodatku do chronionych owoców i warzyw [J].Ogrodnictwo północne, 2018 (17): 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao i in.Stan badań i zastosowań oraz strategia rozwoju oświetlenia roślin [J].Journal of Light Engineering, 013, 24 (4): 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi i in.Zastosowanie źródła światła i kontroli jakości światła w produkcji warzyw szklarniowych [J].Chińskie warzywo, 2012 (2): 1-7